一种复杂环境协同的汽车自动控制方法

技术领域

本发明涉及自动驾驶汽车自动控制领域，特别涉及一种复杂环境协同的汽车自动控制方法。

背景技术

汽车自适应巡航系统是一种智能化的系统，它通过安置在车前方的探头实时的扫描路况信息，不断的反馈给处理器，处理器根据探头传送回的数据进行分析比对，通过改变轮轴的转速来改变车辆的速度，从而完成在路面上的自动行驶，并满足于乘客的舒适性等一系列要求。

汽车自适应巡航系统可以极大的缓解驾驶员的疲劳，解放驾驶员的双手，从而使驾驶不再是一种负担。尤其是在上下班高峰期，汽车自适应巡航系统可以不再为堵车而烦恼，完全可以在开车的同时处理其他的事物，在缓解驾驶员疲劳的同时又能增加时间的利用率。同时，由于安全性等限制性条件的加入，汽车自适应巡航系统可以大大的降低事故的发生率，增加出行的安全性。

在国内，碍于庞大的人口基数以及越来越好的生活条件，越来越多的家庭开始购买汽车。在短短几年内，中国的汽车数量趋向于几何倍数的增长，随之而来的便是交通拥堵的问题。而大力进行汽车自适应巡航控制系统则可以有效的缓解在交通高峰期司机的疲劳度，从而有效的减少事故的发生率。

由此看来，汽车自适应巡航控制系统的发展已经成为不可逆转的趋势。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种复杂环境协同的汽车自动控制方法，能够通过对三辆车辆组成的车队在复杂环境下的自动行驶的状态分析，进而对汽车自适应控制系统的可行性作出判断。

本发明提供的技术方案为：一种复杂环境协同的汽车自动控制方法，包括如下步骤：

步骤一：定义三辆车的车队，分别为头车、跟车1、跟车2；

步骤二：进行头车的路线规划；

步骤三：根据三辆车的位置关系进行路况的选择，从而进行路况模拟；

步骤四：输出结果。

进一步地，所述步骤一定义的三辆车的车队用于模拟五种工况的车辆情况，根据不用的工况，三辆车在不同的位置担负不一样的作用。

进一步地，所述步骤三中路况选择有5种情况，分别如下：

（1）定速跟随路况：车队按照头车，跟车1，跟车2的顺序依次出发，并且保持这一状态直到头车停下；

（2）超车路况：头车开始时担任的车队领头羊的作用，经过一段时间后，跟车1会进行超速并且回到车队所在车道变成头车带领车队，而原先的头程则会变成跟车跟随跟车1，而跟车2也会改变跟车为头车而不是原先的跟车1；

（3）驶离路况：跟车1会离开车队，跟车2则需要改变跟车对象为头车；

（4）切入路况：跟车1会插入头车和跟车2所组成的车队，此时，跟车2需要减速来给跟车1腾出空间进行插队。跟车1插入队列后将跟随头车行进，而跟车2也将改变目标跟随跟车1行进；

（5）“走—停”路况：三辆车依然按照头车，跟车1，跟车2的顺序行进，但是头车会以最大加速度启动，达到最大的速度时则会以最大制动速度减速至静止。

根据Q学习算法的概念，采用反推的方式，即通过各种约束条件从已经确定下来的最好的下一个动作来反推出前一个动作所要采取的最佳策略，从而节省了大量的计算量。车队在行进过程中，前车进行减速行驶，那么后车将会根据前车的速度，两车间的距离，安全性，舒适性等一系列条件进行分析比对判断，计算出一个最佳的减速速度来与前车保持安全距离。

再进一步地，定速跟随的具体步骤如下：

（1）对头车类进行初始化，将头车的坐标、速度、方向都重置为0。头车单独先前进一段路，此时头车将不再提速，而是保持这个速度匀速行驶；

（2）对跟车1进行初始化，将跟车1的坐标、速度、方向都重置为0。由于头车已经是处于匀速行驶的状态，所以跟车1只要保持加速就一定可以赶上头车。假设跟车1以最大加速度向前追赶头车，当跟车1与头车到达安全车距的限定距离时，跟车1开始减速，慢慢调整自身的加速度从而将自身的速度也趋近于头车的速度；

（3）对跟车2进行初始化，将跟车2的坐标、速度、方向都重置为0。类似于头车和跟车1的情况，从开始不断加速追逐跟车1到最终稳定为跟车1的速度，从而最后形成由头车、跟车1、跟车2形成的三辆车的车队，并且三辆车都保持着安全距离定速向前行驶。

再进一步地，超车路况的具体步骤如下：

（1）对头车、跟车1、跟车2进行初始化，让三辆车在跑道上形成一个三辆车组成的车队；

（2）采用椭圆形的超车方式，后车在超越前车时，设定了一个纵向的最大偏移为3m，即在这纵向的3m偏移内后车已经从当前车道转移到了边上的另外一个车道。在另一个车道上后车要完成加速对前车的超越，然后再转回原来的车道。头车在前方正常行驶，跟车1开始实行超车。跟车1以每单位时间10度的偏转角转入另一个车道，到达3m的纵向偏转极限后开始进行平行方向的加速超车。当已经超越头车时开始以偏转角10度反方向驶回原来的车道。驶回原来的车道后变成头车带领车队行进。超车过程中，头车始终按照既定的规划进行行驶。跟车1超车期间，要时刻保持安全车距；

（3）跟车2在跟车1超车的过程中也要时刻保持与跟车1的安全车距，当跟车1已经驶入另外车道时立刻改变目标将头车定为跟随目标。最后形成以跟车1、头车、跟车2这样的顺序所组成的新的三辆车车队。

再进一步地，驶离路况的具体步骤如下：

（1）对头车、跟车1、跟车2进行初始化，让三辆车在跑道上形成一个三辆车组成的车队；

（2）驶离时，实现四分之一个椭圆的偏转，后车在超越前车时，设定了一个纵向的最大偏移为3m，即在这纵向的3m偏移内后车已经从当前车道转移到了边上的另外一个车道。头车在前方正常行驶，跟车1开始实行驶离。跟车1以每单位时间10度的偏转角转入另一个车道，到达3m的纵向偏转极限后开始进行平行方向的行驶。此时，跟车1已经离开车队进行自行行驶。驶离过程中，头车始终按照既定的规划进行行驶。跟车1驶离期间，要时刻保持安全车距；

（3）跟车2在跟车1驶离的过程中也要时刻保持与跟车1的安全车距，当跟车1已经驶入另外车道时则要立刻改变目标将头车定为跟随目标。最后形成以头车、跟车2这样的顺序所组成的新的车队。

再进一步地，切入路况的具体步骤如下：

（1）对头车、跟车1、跟车2进行初始化，让头车和跟车2在道路上形成一个两辆车的车队；

（2）设定外来车辆在切入车队时，外来车辆自身的偏转纵坐标即为3m。外来车辆以每单位时间10度的偏转角进行切入，切入后与原来的车队的车一起形成新的车队。头车在前方正常行驶，跟车2跟随头车行驶。跟车1首先在另外一条行驶道上超越跟车2从而开始慢慢切入。跟车1以每单位时间10度的偏转角切入头车及跟车2组成的车队。切入过程中，头车始终按照既定的规划进行行驶。跟车1切入期间，要时刻保持同头车以及跟车2的安全车距；

（3）跟车2在跟车1切入的过程中也要时刻保持与跟车1的安全车距，当跟车1已经切入相同车道时，跟车2需要立刻改变跟随对象为跟车1，而跟车1则确定头车为跟随对象，从而形成一个由头车、跟车1、跟车2形成的三辆车的车队。

再进一步地，走——停路况的具体步骤如下：

（1）对头车、跟车1、跟车2进行初始化，将三辆车的所有状态都置为0；

（2）头车以最大加速度起步开始向前行进，跟车1、跟车2则按照最优加速度跟上头车。当头车达到最大速度后开始以最大制动速度减速，直至静止；

（3）跟车1随头车减速而减速，跟车2随跟车1减速而减速。

进一步地，在程序中加入限制条件，以满足安全性等一系列要求。

对于车速、加速度等参数进行规定：

（1）最大制动速度amax=-8m/s2；

（2）最大加速速度amin=5m/s2；

（3）圆周率pai=3.14；

（4）时间间隔：T=0.2s；

（5）汽车在直线行驶的最大速度为100km/h；

（6）汽车在弯道行驶的最大速度为20km/h；

对下一个状态设定四个限制条件：

（1）安全性：保持安全车距，保证两车不能相撞，即d>=0；

（2）舒适性：保证加速减速时人体不会感到不适应，即加速度a在2至3之间；

（3）动力性：加速度越高，动力性越好，即a>=1;

（4）稳定性：波动系数越小越好，车距变化频率越小越好。

对于车辆的安全车距，采用下述公式：

L=Vr（2Vc-Vr）/2amax+D；

L为本车与前车不发生碰撞需要保持的两车之间的距离；

相对速度Vr=Vc-Vp,Vc,Vp分别为本车和前车的当前速度；

D=2米常量值；

amax为本车的最大制动减速度。

附图说明

图1为本发明所述的复杂环境协同的汽车自动控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能后据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种复杂环境协同的汽车自动控制方法，定义三辆车的车队，分别为头车、跟车1、跟车2。进行头车的路线规划。根据三辆车的位置关系进行路况的选择，从而进行路况模拟。最后输出结果。通过对Q学习算法的学习研究总结归纳出的反推法的模拟实验，判别在汽车自适应控制系统中使用反推法的可行性，并且对反推法进行模拟验证，分析反推法的优劣性，具体步骤如下。

步骤一：定义三辆车的车队，分别为头车、跟车1、跟车2。三辆车的车队用于模拟五种工况的车辆情况，根据不用的工况，三辆车在不同的位置担负不一样的作用。

步骤二：进行头车的路线规划。

步骤三：根据三辆车的位置关系进行路况的选择，从而进行路况模拟。路况选择有5种情况，分别如下：

（1）定速跟随路况：车队按照头车，跟车1，跟车2的顺序依次出发，并且保持这一状态直到头车停下。具体步骤为：

a. 对头车类进行初始化，将头车的坐标、速度、方向都重置为0。头车单独先前进一段路，此时头车将不再提速，而是保持这个速度匀速行驶；

b. 对跟车1进行初始化，将跟车1的坐标、速度、方向都重置为0。由于头车已经是处于匀速行驶的状态，所以跟车1只要保持加速就一定可以赶上头车。假设跟车1以最大加速度向前追赶头车，当跟车1与头车到达安全车距的限定距离时，跟车1开始减速，慢慢调整自身的加速度从而将自身的速度也趋近于头车的速度；

c. 对跟车2进行初始化，将跟车2的坐标、速度、方向都重置为0。类似于头车和跟车1的情况，从开始不断加速追逐跟车1到最终稳定为跟车1的速度，从而最后形成由头车、跟车1、跟车2形成的三辆车的车队，并且三辆车都保持着安全距离定速向前行驶；

（2）超车路况：头车开始时担任的车队领头羊的作用，经过一段时间后，跟车1会进行超速并且回到车队所在车道变成头车带领车队，而原先的头程则会变成跟车跟随跟车1，而跟车2也会改变跟车为头车而不是原先的跟车1。具体步骤为：

a. 对头车、跟车1、跟车2进行初始化，让三辆车在跑道上形成一个三辆车组成的车队；

b. 采用椭圆形的超车方式，后车在超越前车时，设定了一个纵向的最大偏移为3m，即在这纵向的3m偏移内后车已经从当前车道转移到了边上的另外一个车道。在另一个车道上后车要完成加速对前车的超越，然后再转回原来的车道。头车在前方正常行驶，跟车1开始实行超车。跟车1以每单位时间10度的偏转角转入另一个车道，到达3m的纵向偏转极限后开始进行平行方向的加速超车。当已经超越头车时开始以偏转角10度反方向驶回原来的车道。驶回原来的车道后变成头车带领车队行进。超车过程中，头车始终按照既定的规划进行行驶。跟车1超车期间，要时刻保持安全车距；

c. 跟车2在跟车1超车的过程中也要时刻保持与跟车1的安全车距，当跟车1已经驶入另外车道时立刻改变目标将头车定为跟随目标。最后形成以跟车1、头车、跟车2这样的顺序所组成的新的三辆车车队。具体步骤为：

（3）驶离路况：跟车1会离开车队，跟车2则需要改变跟车对象为头车：

a. 对头车、跟车1、跟车2进行初始化，让三辆车在跑道上形成一个三辆车组成的车队；

b. 驶离时，实现四分之一个椭圆的偏转，后车在超越前车时，设定了一个纵向的最大偏移为3m，即在这纵向的3m偏移内后车已经从当前车道转移到了边上的另外一个车道。头车在前方正常行驶，跟车1开始实行驶离。跟车1以每单位时间10度的偏转角转入另一个车道，到达3m的纵向偏转极限后开始进行平行方向的行驶。此时，跟车1已经离开车队进行自行行驶。驶离过程中，头车始终按照既定的规划进行行驶。跟车1驶离期间，要时刻保持安全车距；

c. 跟车2在跟车1驶离的过程中也要时刻保持与跟车1的安全车距，当跟车1已经驶入另外车道时则要立刻改变目标将头车定为跟随目标。最后形成以头车、跟车2这样的顺序所组成的新的车队；

（4）切入路况：跟车1会插入头车和跟车2所组成的车队，此时，跟车2需要减速来给跟车1腾出空间进行插队。跟车1插入队列后将跟随头车行进，而跟车2也将改变目标跟随跟车1行进。具体步骤为：

a. 对头车、跟车1、跟车2进行初始化，让头车和跟车2在道路上形成一个两辆车的车队；

b. 设定外来车辆在切入车队时，外来车辆自身的偏转纵坐标即为3m。外来车辆以每单位时间10度的偏转角进行切入，切入后与原来的车队的车一起形成新的车队。头车在前方正常行驶，跟车2跟随头车行驶。跟车1首先在另外一条行驶道上超越跟车2从而开始慢慢切入。跟车1以每单位时间10度的偏转角切入头车及跟车2组成的车队。切入过程中，头车始终按照既定的规划进行行驶。跟车1切入期间，要时刻保持同头车以及跟车2的安全车距；

c. 跟车2在跟车1切入的过程中也要时刻保持与跟车1的安全车距，当跟车1已经切入相同车道时，跟车2需要立刻改变跟随对象为跟车1，而跟车1则确定头车为跟随对象，从而形成一个由头车、跟车1、跟车2形成的三辆车的车队；

（5）“走—停”路况：三辆车依然按照头车，跟车1，跟车2的顺序行进，但是头车会以最大加速度启动，达到最大的速度时则会以最大制动速度减速至静止。具体步骤为：

a. 对头车、跟车1、跟车2进行初始化，将三辆车的所有状态都置为0；

b. 头车以最大加速度起步开始向前行进，跟车1、跟车2则按照最优加速度跟上头车。当头车达到最大速度后开始以最大制动速度减速，直至静止；

c. 跟车1随头车减速而减速，跟车2随跟车1减速而减速。

根据Q学习算法的概念，采用反推的方式，即通过各种约束条件从已经确定下来的最好的下一个动作来反推出前一个动作所要采取的最佳策略，从而节省了大量的计算量。车队在行进过程中，前车进行减速行驶，那么后车将会根据前车的速度，两车间的距离，安全性，舒适性等一系列条件进行分析比对判断，计算出一个最佳的减速速度来与前车保持安全距离。

步骤四：输出结果。

由于车辆在行驶过程中不可能按照任意状态行驶，必须满足安全性等一系列要求，所以在程序中设定了一些限制条件。

首先，对于车速、加速度等参数进行规定：

（1）最大制动速度amax=-8m/s2；

（2）最大加速速度amin=5m/s2；

（3）圆周率pai=3.14；

（4）时间间隔：T=0.2s；

（5）汽车在直线行驶的最大速度为100km/h；

（6）汽车在弯道行驶的最大速度为20km/h；

其次，对下一个状态设定四个限制条件：

（1）安全性：保持安全车距，保证两车不能相撞，即d>=0；

（2）舒适性：保证加速减速时人体不会感到不适应，即加速度a在2至3之间；

（3）动力性：加速度越高，动力性越好，即a>=1;

（4）稳定性：波动系数越小越好，车距变化频率越小越好；

最后，对于车辆的安全车距，采用下述公式：

L=Vr（2Vc-Vr）/2amax+D；

L为本车与前车不发生碰撞需要保持的两车之间的距离；

相对速度Vr=Vc-Vp,Vc,Vp分别为本车和前车的当前速度；

D=2米常量值；

amax为本车的最大制动减速度。

这些约束条件，能够保证车辆在道路上进行正常的安全的模拟行驶。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。